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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Batterie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Batterie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Batterien, insbesondere HV-Batterien, die eine Vielzahl von Zellpackungen aufweisen, werden hinsichtlich elektrischer und physikalischer Zustände überwacht. Hierzu gehört auch die Überwachung von thermischen Zuständen, insbesondere die Detektion von sogenannten thermischen Durchbrüchen (Thermal Runaway). Zur Detektion eines thermischen Events wird in einer oder mehreren Zellen einer Batterie oder eines Batteriesystems Zustandsgrößen, wie die Zellspannung, die Temperatur, der Druck und/oder deren Verläufe ausgewertet, die im Innenraum einer Batterie vorliegen. Diese Druckmessung wird beispielsweise mittels eines Drucksensors vorgenommen, der beispielsweise als Teil des Batterie Management Systems (BMS) auf der Hauptplatine angeordnet sein kann. Ein solches „Thermisches Event“ (Thermal Runaway) ist ein Zustand, bei welchem durch chemische Prozesse die Erwärmung ohne weiteren Einfluss von außen, wie bspw. die Strombelastung, sich selbstständig erhöht, und wobei der chemische Prozess parallel beschleunigt wird.
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Eine solche Überwachungsanordnung zeigt beispielsweise die
DE 10 2018 210 975 B4 , bei der ein thermisches Event mittels eines Drucksensors erfasst wird, der auf einer Hauptplatine der Batteriesteuereinheit angeordnet ist.
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Aus der
DE 10 2019 215 812 A1 sind eine Batteriemanagementvorrichtung für ein Batteriesystem, ein Batteriesystem sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Batteriemanagementvorrichtung bekannt.
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Alternativ ist zur Überwachung eines Thermal Runaway bekannt, ausgasendes CO2 zu detektieren, das aus dem Elektrolyten der Zelle entweicht, als Folge der starken Erwärmung einer Zelle. Nachteilig an dieser Lösung ist der zeitliche Versatz zwischen der Erhitzung der Zelle und der Erkennung des CO2 an einem bestimmten Punkt im Innenraum oder außerhalb von der Batterie mittels eines geeigneten Sensors.
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Das hierzu eingesetzte Batterie-Steuergerät benötigt eine Energieversorgung über das Niedervolt- Spannungsnetz des Fahrzeugs. Zur Minimierung des Verbrauchs wird das Steuergerät im Ruhebetrieb des Fahrzeugs und der Batterie, also beispielsweise beim Parken abgeschaltet. Somit erfolgt während des Parkens keine Überwachung eines thermischen Events.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte und insbesondere schnellere Erfassung eines Thermal Runaways vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst und einer Batterie nach den Merkmalen des Anspruches 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen, zugehörigen Unteransprüchen angegeben.
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Danach wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Batterie, die mit einem Verbraucher und einer zentralen Steuer- und Überwachungseinheit eben dieses Verbrauchers verbunden ist. Der Verbraucher kann insbesondere ein motorgetriebenes Fahrzeug sein mit zugehöriger Steuerung (Steuer- und Überwachungseinheit). Die Batterie weist ein Batteriemanagementsystem (BMS) mit einer eine Hauptplatine umfassenden Hauptsteuerungseinheit auf, sowie mindestens eine Zellpackung mit einem Zellmessboard, wobei mindestens auf einem Zellmessboard ein Mikrocontroller angeordnet ist. Bei dem Verfahren wird regelmäßig eine Überprüfung hinsichtlich eines thermischen Events (Thermal Runaway) durchgeführt, wobei die Überprüfung hinsichtlich eines thermischen Events in einem Ruhebetrieb der Batterie durch das Zellmessboard und/oder dessen Mikrocontroller erfolgt.
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Bei einer Verfahrensvariante wird zur regelmäßigen Überprüfung im Ruhebetrieb der Batterie eine Weckfunktion veranlasst, die durch das Zellmessboards und/oder den dortigen Mikrocontroller erfolgt. Die Weckfunktion besteht in einer definierbaren Zeitdauer, nachdem der Mikrocontroller oder ein anderes geeignetes Bauteil des Zellmessboards aktiviert wird, um nachfolgend das Zellmessboard mindestens in dem für die Überwachung nötigen Umfang in Betrieb zu nehmen.
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Die Überwachung kann darin bestehen, dass mindestens eine Zell-Spannung, eine Zelltemperatur, einen (Innen-)Druck und/oder eine CO2-Konzentration und/oder mindestens einer der jeweiligen Verläufe erfasst und ausgewertet wird, wobei die Erfassung und Auswertung der Daten durch das jeweilige Zellmessboard und/oder den dortigen Mikrocontroller erfolgt. Hierbei kann die Erfassung und Auswertung von relevanten Messwerten auch aus einer zeitlich früheren Messperiode stammen, die in einem Speichermedium gespeichert wurden und für die Auswertung und Festlegung von Folgeschritten hinzugezogen werden.
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Bei einer Verfahrensvariante wird bei der Unterschreitung aller definierten Grenzwerte vom Zellmessboard die jeweilige Messperiode abgeschlossen und der Ruhebetrieb der Batterie fortgesetzt, insbesondere ohne die Hauptsteuerungseinheit der Batterie und/oder die Steuer- und Überwachungseinheit des Verbrauchers zu aktivieren. Somit wird eine nächste Weckfunktion etabliert.
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Das Verfahren sieht vor, dass bei der Erreichung und/oder Überschreitung mindestens eines definierten Grenzwertes vom Zellmessboard und/oder dem dortigen Mikrocontroller ein Weckbefehl an die Hauptsteuerungseinheit der Batterie gesendet wird, die nachfolgend erweiterte Überprüfungen vornimmt und/oder einen Weckbefehl an die Steuer- und Überwachungseinheit des Verbrauchers sendet, welche nachfolgend erweiterte Überprüfungen vornimmt. Hierbei kann der Weckbefehl von der Hauptsteuerungseinheit der Batterie insbesondere nach der eigenen erweiterten Überprüfung an die Steuer- und Überwachungseinheit des Verbrauchers gesendet werden, abhängig von weiteren sicherheitsrelevanten Parametern und/oder Validierung der von dem Zellmessboard erhaltenen Daten.
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Im Zusammenhang mit der Veranlassung oder Übermittlung eines Weckbefehls können auch die relevanten Daten der vorherigen Erfassung und/oder Auswertung an die nachfolgende Einheit übermittelt werden. Hierauf basierend veranlasst die Hauptsteuerungseinheit der Batterie und/oder die Steuer- und Überwachungseinheit des Verbrauchers, sofern diese aktiviert wurde, Warnhinweise und/oder Sicherheitsteuerungen.
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Im Ruhebetrieb der Batterie sieht eine Ausführungsvariante vor, dass die Messperiode verlängert wird, um Strom einzusparen und damit die Nutzbarkeit der Batterie zu verlängern. Die Messperiode sollte im Ruhebetrieb im Bereich von über 1s liegt, vorteilhafterweise im Bereich von über 2s, idealerweise im Bereich von über 5s. „Ruhebetrieb“ meint hierbei, dass die Batterie weder parallel an einer stationären Lagestation geladen wird noch sich im Arbeitsbetrieb befindet.
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Unter einem (Überhitzungs-) Warnhinweis ist hierbei jedes Warn- und/oder Steuersignal zu verstehen, das einen Nutzer der Batterie, wie zum Beispiel den Fahrer eines Fahrzeuges während der Nutzung warnt, insbesondere akustisch oder optisch, sowie eine mindestens teilweise Abschaltung der Batterie oder sonstige Schritte veranlasst, um den sicheren Betrieb und/oder Abschaltung der Batterie oder des Verbrauchers zu veranlassen.
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In einer Variante des Verfahrens wird die Messperiode, das heißt deren Dauer und/oder Frequenz im Ruhebetrieb unterschiedlich lang ausgebildet. Insbesondere besteht eine Verbesserung darin, dass die Messperiode als Korrelation der ununterbrochenen Dauer des Ruhebetriebes angepasst wird, so dass beispielsweise bei einem sich verlängerndem Ruhebetrieb auch die Zeitdauer der Weckfunktion verlängert wird, d.h. die Zeit bis zum nächsten Weckschritt.
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Von der Erfindung ist auch eine Batterie für einen eine Steuer- und Überwachungseinheit umfassenden Verbraucher, gemäß Anspruch 10, umfasst. Die Batterie ist insbesondere als eine Hochvoltbatterie (HV-Batterie) ausgebildet und umfasst mindestens die folgenden Batterieelemente:
- - ein Zellenkompartiment mit mindestens einer, insbesondere mit mehreren Zellpackungen, zugehörigen Zellenboards und zugehörige (Batterie-)Zellen,
- - eine Hauptsteuerungseinheit mit einer Hauptplatine, einem Hauptprozessor und einer Mehrzahl von elektronischen Elementen, wobei das Zellmessboard und/oder ein dort angebrachter Mikrocontroller dazu ausgelegt sind, das vorgenannte Verfahren nach einer der Ausführungsvarianten auszuführen, womit auch verstanden wird, dass die entsprechende Software umfasst, in geeigneter Weise gespeichert und genutzt wird.
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Vorliegend wird nicht zwischen (analogen) Messwerten und/oder und hieraus direkt oder mittelbar generieten Daten unterschieden, die softwareseitig nutzbar sind. Messwerte und (Mess-)Daten sind somit weitegehend synonym zu verstehen, wenn nicht ausdrücklich etwas Gegenteiliges genannt wird. Vom Fachmann sind also ggf. erforderliche Analog Digital Converter (ADC) und sonstige hard- und softwareseiten Elemente für die Bearbeitung und Weiterleitung in bekannter Weise vorzusehen.
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Bei einer Ausführungsform der Batterie umfasst diese einen Temperatursensor und/oder ist mit einem solchen datenleitend verbunden, welcher insbesondere an oder auf mindestens einer Zellpackung angeordnet ist. Der Temperatursensor ist insbesondere datenleitend mit dem Mikroprozessor und/oder der Hauptsteuerungseinheit verbunden. Vorteilhafterweise ist der Temperatursensor im Inneren der Batterie, einem Batteriegehäuse, angeordnet. Es kann aber auch oder zusätzlich ein Außensensor sein.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Batterie umfasst diese mindestens einen Drucksensor, insbesondere einen Drucksensor auf oder an der Hauptplatine oder in einer Schaltbox, wobei der Drucksensor datenleitend direkt oder mittelbar mit dem Mikroprozessor und/oder der Hauptsteuerungseinheit verbunden ist.
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Eine Verfahrensvariante besteht darin, dass für die Festlegung der jeweiligen nachfolgenden Ruhedauer für die (jeweilige) nachfolgende Überprüfung, mindestens ein Teil der Zustandsdaten vor der Festlegung der nachfolgenden Dauer des Ruhebetriebes verwertet werden, wobei die Zustandsdaten Primärdaten oder Sekundärdaten sein können.
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Hierbei sind Primärdaten Daten und Informationen, die den Zustand der Batterie oder von Bauteilen der Batterie beschreiben, das heißt, sich sehr unmittelbar auf die Batterie beziehen. Diese Zustandsdaten können darüber hinaus Hinweise auf eine statistisch erhöhte Wahrscheinlichkeit eines thermischen Events liefern. Hingegen sind Sekundärdaten solche Daten und Informationen, die weitgehend außerhalb und/oder unabhängig von der Batterie sind.
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Dabei umfassen die Primärdaten mindestens einen der folgenden Zustandsdaten, die sich insbesondere direkt auf die Batterie beziehen und/oder deren Betriebsdaten darstellen wie: eine Zellspannung oder Zellpackspannung, eine Batterie-Temperatur, eine Zell(Pack-)-Temperatur, ein Druck und/oder eine CO2-Konzentration in einem Batteriegehäuse, eine Ausfall- oder Fehlerhäufigkeit, laufende oder vorherige Dauer des Ruhebetriebes der Batterie, Umfang eines vorherigen Ladevorgangs, zeitlicher Abstand zu einem vorherigen Ladvorgang, Betriebsdaten aus einem vorherigen Ladevorgang sowie die jeweiligen Verläufe, insbesondere aus vorherigen Überprüfungen/-schritten.
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Ergänzend hierzu umfassen die Sekundärdaten mindestens einen der folgenden Einflussgrößen und Zustandsdaten, die insbesondere außerhalb der eigentlichen Batterie liegen: Dauer des Ruhebetriebes des Verbrauchers, Betriebsdaten des Verbrauchers sowie die jeweiligen Verläufe, Außentemperatur, Tageszeit, Feuchte, Breitengrad sowie die jeweiligen Verläufe.
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Solche Zustandsdaten können grundsätzlich alle Einflussgrößen sein, die sich auf die Funktion und Sicherheit einer Batterie einwirken. Exemplarisch sind nachstehend einige erwähnt, die sich als besonders einflussreiche Faktoren erwiesen haben, um eine Ruhedauer bis zur nachfolgenden Überprüfung festzulegen.
- • Temperatur der Batterie, insbesondere in und vor der jeweiligen Messperiode, weil eine ggf. überhitzte Batterie anfänglich viel häufiger überprüft werden sollte als eine kalte Batterie, bei der kritische thermische Ereignisse viel unwahrscheinlich sind.
- • Zeitlicher Abstand zum Arbeitsbetrieb der Batterie oder zeitlicher Abstand zum Ladebetrieb der Batterie, weil mit fortschreitender Ruhebetrieb einer Batterie, auch nach einem Ladebetrieb, kritische thermische Ereignisse immer unwahrscheinlicher werden.
- • Temperaturverlauf der Batterie im Arbeitsbetrieb des Verbrauchers vor der jeweiligen Messperiode, insbesondere in einer definierten Vorlaufperiode, weil aus der Historie einer sich ggf. häufig stark erwärmenden Batterie auf eine viel größere Wahrscheinlichkeit eines thermischen Ereignisses geschlossen werden kann als bei einer vollständig unauffälligen Nutzungshistorie.
- • Temperatur im Außenbereich, insbesondere auch erwarteter Temperatureinfluss aufgrund lokaler Gegebenheiten, weil bei einem Ruhebetrieb im Winter in nördlichen Breitengraden am Abend vollständig andere thermische Wirkungen und Belastungen auf die Batterie zu erwarten sind als nach Start des Ruhebetriebes der Batterie am Mittag im Hochsommer einer grundsätzlich heißen Region.
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Hierbei ist „verbunden sein“ oder „in Verbindung stehen“ nicht einschränkend zu verstehen und meint sowohl eine oder mehrere Verbindungen zur Spannungs- und Stromversorgung als auch zur datenleitenden Kommunikation. Die Kommunikation kann insbesondere als eine der üblichen Bustechnologien oder seriellen Schnittstellen ausgebildet sein, durch separate Einzelkabel oder moduliert auf ein oder mehrere stromführende Einzelkabel.
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Der große Vorteil besteht bei dieser Lösung darin, dass bei einem abgeschalteten Verbraucher und im Ruhebetrieb der Batterie, sehr energiesparend ein thermisches Event bei einer konkreten Zellpackung oder einer Gruppe von Zellpackungen überwacht wird.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 Eine Hochvoltbatterie im Überblick und
- 2 ein Blockfließdiagramm für übliche Verfahrensschritte bei einem thermischen Event (Thermal Runaway)
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1 zeigt einen schematischen Aufbau einer HV-Batterie 1, die als wesentliche Komponenten ein Batteriegehäuse 15 aufweist, innerhalb welchem eine Hauptsteuereinheit 10, eine Schaltbox 20 und ein Zellenkompartiment 30. Das Zellenkompartiment 30 ist in eine Mehrzahl von Zellpackungen 31.1... 31.n unterteilt, was durch eine gestrichelte, querlaufende Linie angedeutet wurde. Jedes Zellpackung 31.1 ... 31.n weist eine zugehörige Zellmessplatine 32.1 ... 32.n auf. Die Hauptsteuereinheit 10 und deren Hauptplatine 11 ist über die LV-Leitung mit einer zentralen Steuer- und Versorgungseinheit 2 daten- und stromleitend verbunden. Über HV-Leitungen ist die Batterie 1 mit einem oder mehreren Verbrauchern 3 verbunden, wie sehr schematisch angedeutet ist.
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Die HV+-Leitung ist in die Schaltbox 20 und zu dem dortigen Schütz 8 und die HV- -Leitung zu dem Schütz 9 geführt. Weiterhin ist in der Schaltbox 20 an der HV+ - Leitung ein Nebenstrompfad vorgesehen, zum Betrieb des Schütz 12, der als Vorladeschütz fungiert. Weiterhin ist in der Schaltbox 20 ein Stromsensor 24 vorgesehen, sonstige Sicherungen, Widerstände oder weitere Komponenten sind nicht dargestellt. Die Hauptplatine 11 ist mit der Schaltbox 20 bzw. einzelnen Komponenten und Bauteilen in der Schaltbox 20 verbunden, was vorliegend nicht im Detail unterschieden wurde. Die Hauptplatine 11 umfasst eine Mehrzahl von mikro-/elektronischen Elementen 5.1, 5.2, 5.3 und einen Hauptmikroprozessor 4. Vorliegend ist ein gesonderter Mikroprozessor 5 vorgesehen, der im Wesentlichen die Aufgabe hat, thermische Events zu erkennen und geeignete Warn- und Steuersignale zu senden.
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In der 1 sind mehrere Anbringungsorte für die ergänzende Anordnung mindestens eines Drucksensors 6.1, 6.2 dargestellt, nämlich auf der Hauptplatine 11 der Hauptsteuereinheit 10 und/oder in der Schaltbox 20. Ebenso sind zwei vorteilhafte Anbringungsorte für optionale Temperatursensoren 7.1, 7.2 dargestellt, nämlich auf einer der Zellplatinen 32.2 und/oder im Innenraum des Zellkompartiments 30. Ein zusätzlicher, optionaler CO2-Sensor sollte an vergleichbaren Stellen angeordnet werden.
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In der 2 ist ein Verfahrensverlauf als Blockfließbild dargestellt, bei dem schlussendlich die Steuer- und Überwachungseinheit 2 des Verbrauchers 3 geweckt wird und Warnhinweise und/oder Sicherheitsteuerungen veranlasst.
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Hierbei erfolgt eine Systemabschaltung 50, indem beispielsweise der Fahrzeugschlüssel des Fahrzeuges gezogen oder entsprechend geschaltet wird. Nachfolgend befindet sich das beispielhaft skizzierte Zellmessboard 32.1 sowie die gesamte Batterie 1 im Ruhebetrieb 100. Nach einer Weckzeit mit einer definierten Zeitdauer, wird der nicht dargestellte Mikrocontroller 5.4 aktiviert und veranlasst einen begrenzten Überprüfungsschritt 110, bei welchem mindestens ein relevanter Grenzwert überschritten wurde. Hierbei wird beispielsweise der auf dem Zellboard 32.1 angeordnete Temperatursensor 7.1 und/oder der zentral angeordnete Temperatursensor 7.1 abgefragt und ausgewertet.
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Vorliegend sei der definierte Grenzwert für mindestens eine der Temperaturen überschritten. Somit erfolgt an dem Gate I die Signalweiterleitung an die Hauptsteuerungseinheit 10 der Batterie 1, also der Weckschritt 120 für die Hauptsteuereinheit 10. Die Hauptsteuerungseinheit 10 führt nun den Überwachungs- und Validierungsschritt 121 durch, bei dem ggf. Daten von weiteren Sensoren oder Zellboards 32.2 ... 32.n eingeholt werden. Alternativ könnte aufgrund der Schwere der Grenzwertüberschreitung unmittelbar eine Signalweiterleitung an die Steuer- und Überwachungseinheit 2 des Verbrauchers 3 erfolgen, der Weckschritt 130 erfolgen. Dieser Vorprüfungsschritt ist nicht dargestellt.
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Durch die Signalweiterleitung am Gate II führt die zentrale Steuer- und Überwachungseinheit 2 nachfolgend einen eigenen Überwachungs- und Validierungsschritt 131 durch, indem beispielsweise alle verfügbaren Sensoren und Zellboards abgefragt werden. Nachfolgend wird, aufgrund der Validierung eines thermischen Events in dem Zellpack 31.1 einem Warn- und Notfallschritt 200 an den Nutzer veranlasst und/oder sonstige Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet. In analoger Weise könnte ein Vorprüfungsschritt erfolgen und der Überwachungs- und Validierungsschritt 131 übersprungen werden.
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Wie mit den gestrichelten Pfeilen angedeutet, wäre bei einem unkritischen Betriebszustand, also der Unterschreitung der Grenzwerte oder bei negativer Validierung, am Gate I oder Gate II eine Wiederherstellung des Ruhebetriebes 100 veranlasst worden. In diesem Fall wäre dies vorteilhafterweise verbunden mit der Bestimmung eines neunen Weckschrittes 110 auf dem Zellmessboard 32.1. Vorteilhafterweise wäre dann die Zeitdauer für den aktuellen (neuen) Weckschritt 110 verlängert worden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batterie
- 2
- Steuer- und Überwachungseinheit
- 3
- Verbraucher
- 4
- Hauptmikroprozessor
- 5
- Mikroprozessor
- 5.1, 5.2, 5.3
- Element, (mikro-)elektronisch
- 5.4
- Mikrocontroller
- 6.1, 6.2
- Drucksensor
- 7
- Temperatursensor
- 8
- Schütz
- 9
- Schütz
- 10
- Hauptsteuerungseinheit
- 11
- Hauptplatine
- 12
- Schütz
- 13
- Spannungsverlauf der Zellspannung [V]
- 14
- Spannungsverlauf der (Zell-)Packungsspannung [V]
- 15
- Verlauf der Konzentration an CO2 [1000 ppm]
- 15
- Batteriegehäuse
- 20
- Schaltbox
- 24
- Stromsensor
- 30
- Zellenkompartiment
- 31
- Zellpackung (31.1 ... 31.n)
- 32
- Zellmessplatine (32.1 ... 32.n)
- 50
- Systemabschaltung
- 100
- Ruhebetrieb
- 110
- Weckschritt für das Zellboard
- 111
- Überwachungsschritt
- 120
- Weckschritt für die Hauptsteuerungseinheit
- 121
- Überwachungs- und Validierungsschritt
- 130
- Weckschritt für die Steuer- und Überwachungseinheit
- 131
- Überwachungs- und Validierungschritt
- 200
- Warn- und Notfallschritt
- I, II
- Gate (Entscheidungsinstanzen)
